镜头调焦，到底调的是焦距还是像距？

导读整体调焦保持焦距不变，靠移动光学组件来匹配像距；内对焦移动内部部分镜组，也可能伴随有效焦距变化。调焦让目标清晰，变焦选择焦段、改变取景范围。用一个50毫米薄透镜的算例，配合原厂光学示意图，分清转动对焦环、升降相机和变焦各自改变了什么。

定焦、变焦与调焦，说的是不同层次

一支50毫米定焦镜头没有可选的变焦范围，却仍然可以拍清不同距离的物体。目标的清晰像正好落在传感器上，这种状态叫合焦；调焦，也叫对焦，是调整镜头以达到这种状态的过程。

定焦、变焦区分的是镜头有没有可选择的变倍范围。定焦镜头通常以一个标称焦距命名，例如50毫米；变焦镜头提供一段可选焦距，例如24–70毫米。标称焦距一般以对焦无限远的状态定义。

定焦不表示只能拍清一个距离。两类镜头通常都有调焦机构，可由对焦环或自动对焦驱动镜片运动。

还有一种操作：不动镜头的对焦设置，前后移动整台相机，或者移动被摄物体，让目标进入当前设置对应的清晰范围。这是在调整物距，也可以获得合焦结果。

要分清这些操作，先看焦距、物距和像距怎样决定成像位置。

焦距、物距和像距，怎样决定清晰成像

先用空气中的近轴薄透镜模型：把一片足够薄的凸透镜视为没有厚度，观察靠近光轴的光线。

远处物体射来的近似平行光，会在透镜后方的焦点会聚。透镜到这个焦点的距离，就是焦距 f。物距 u 是物体到透镜的距离；像距 v 是透镜到清晰像平面的距离。

薄透镜示意：左侧为物体，右侧为清晰像；图中 WD 对应本文物距 u，d 对应像距 v，f 为焦距 ｜ 来源：Edmund Optics，Lens Spacers, Shims, and Focal Length Extenders，Figure 1

在焦距 f 不变的薄透镜模型里，调焦要让物距和像距满足成像关系，而不是调到某个固定比例。这里讨论物体位于焦点之外、在后方形成实像的情况，三个距离都取正值：

1/物距 + 1/像距 = 1/焦距

也就是物距的倒数加上像距的倒数，等于焦距的倒数。用前面的符号整理，可得：

v = f × u / (u − f)

在这个固定焦距模型中，物距确定后，就有对应的清晰像距。调焦就是调整镜片位置，让清晰像与传感器重合。未合焦时，传感器位于清晰像平面之前或之后，镜头到传感器的实际间距尚未匹配所需像距。

像距与物距之比 v/u 对应的是成像放大倍率的大小，描述物体成的像有多大；它与上面的合焦条件是两回事。

定焦镜头怎样调焦，与升降相机有何区别

假设焦距固定为50毫米，用理想薄透镜模拟定焦镜头的整体调焦。以下是模型演算，不是商品镜头实测。

物体在透镜前方1米，即 u = 1000毫米时：

v = 50 × 1000 / (1000 − 50) ≈ 52.63毫米

物体在3米，即 u = 3000毫米时：

v = 50 × 3000 / (3000 − 50) ≈ 50.85毫米

物体足够远时，像距逐渐接近50毫米。固定焦距时，物体越近，清晰成像所需的像距越大。

第一种操作是调镜头。相机机身和物体不动，通过对焦机构把透镜向物体方向移动，增大它到传感器的距离，适应更近的拍摄目标。在这个整体调焦模型里，焦距 f 保持50毫米，调整的是透镜到传感器的间距，使它等于当前物距所需的像距 v。

透镜移动也会改变物距，精确计算要使用移动后的 u。上面的1米和3米分别指各自合焦状态的物距，像距之差不能直接当作商品镜头的电机行程。

下面用另一支75毫米镜头的原厂图，观察整体调焦时镜组与像平面的相对距离。

75毫米镜头的整体调焦示例：上图对焦无限远，下图工作距离为200毫米；镜片内部间距不变，镜组到右侧像平面的距离改变 。

第二种操作是调物距。保持透镜与传感器的间距为52.63毫米，对焦设置不动，只移动物体或整台相机。按同一模型，物距约为1米时合焦；物距为3米时，所需像距约50.85毫米，与传感器位置不匹配。

假设相机朝下拍摄载物台上的物体，锁定对焦和变焦设置。沿拍摄方向升降整台相机或载物台，就会改变物距，而镜头与传感器的相对位置不变。调到匹配的高度，目标便能合焦。

升降整台相机或载物台，是调物距；传感器不动、只移动镜头，则是在调镜头与传感器的间距。判断这类装置在调什么，要看它实际带动哪个部件。

Canon 的近摄教程也介绍了先设定对焦位置，再前后移动相机获得清晰图像的方法。

变焦镜头选定焦段后，若采用焦距不变的整体调焦，同样可以用这个模型理解；真实镜头还需看内部结构。

真实镜头调焦，为什么可能连焦距也变了

真实镜头通常由多片镜片组成。整套镜头的等效焦距，也称有效焦距，与镜片本身及镜组间距共同有关。

把它等效为一个近轴成像系统时，用主面作为光学距离的计量基准：物距从物方主面量起，像距从像方主面量起，像方焦距从像方主面量到后焦点。

主面未必在镜筒中心或某片镜片上，像距不能直接当成最后一片镜片到传感器的空隙。

整体调焦与内对焦（Internal Focusing）的区别，既在光学参数，也在机械运动。

整体调焦时，主面随光学组件移动，可以沿用前面的像距解释。内对焦则改变了镜组间距，整套镜头的焦距和主面位置都可能变化，幅度取决于具体设计和对焦位置。

机械上的差别，是需要带动多少光学部件。内对焦可驱动较轻的镜组，有利于快速对焦，但实际速度仍取决于电机、行程和控制。手动调好后锁定的固定工位，未必需要追求自动对焦速度。

FA（Factory Automation，工厂自动化）镜头通常指用于工厂自动化视觉系统的工业镜头，可配合工业相机完成缺陷检测、尺寸测量和零件定位。FA 表示应用领域，不限定调焦结构。

这类镜头也有对焦环。对焦环是操作部件，整体调焦和内对焦是内部实现方式。转动环后带动的是整组镜片，还是内部部分镜组，要查具体型号的结构说明，不能仅凭有对焦环来判断。

定焦与变焦都可能采用内部镜组运动来调焦。下图取自广播变焦镜头的对焦子系统，可以观察固定单元与移动对焦单元的配合。

移动部分对焦单元，适应近距离与无限远的成像条件；此图为广播变焦镜头的对焦子系统示例

定焦镜头也存在这种参数联动。Edmund Optics 的原厂指南说明，一些仍归为定焦的镜头采用浮动镜组，对焦时改变镜片间距，也会带来系统焦距变化。变焦镜头的例子则有 Nikon 24–120毫米：原厂说明书明确写出，其内对焦会使焦距随对焦距离缩短而减小。

定焦镜头没有可选的变倍范围，但不保证所有对焦位置的实际焦距严格相同。

对焦时画面倍率或取景边界发生变化，称为呼吸效应（Focus Breathing）。整体调焦即使焦距不变，倍率也可能变化，因为倍率还与物距、像距有关。两种结构用于尺寸测量时，都应核对调焦后的倍率；仅凭画面变化，也不能反推出有效焦距变化多少。

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变焦镜头还多了一项任务：改变取景范围

在传感器尺寸相同、拍摄位置固定的条件下，选择较长焦距，通常会得到更窄的视角，让目标占据更多画面。这是变焦的用途。

转动变焦环时，镜组沿设计好的轨迹移动，改变组间距离，整套镜头的焦距随之改变。例如从24毫米调到70毫米，取景范围变窄，目标在画面里变大。与此同时，镜头还要处理清晰像位置的变化。

Canon 的传统广播镜头实例采用变倍组（Variator）与补偿组（Compensator）：前者主要改变倍率，后者配合运动，补偿变倍引起的像面位置变化。下图从上到下对应广角、中间焦段与长焦，重点看两组镜片的相对位置。

变倍组与补偿组以不同轨迹配合移动；这是传统双组变倍结构示例

现代镜头还可能采用更多运动组，具体结构不能仅凭控制环的数量判断。

内对焦与变焦用到了相通的物理手段：移动镜组、改变间距。区别在于镜组运动所实现的功能：内对焦让镜头适应不同目标距离，变焦提供一段可选择的焦距范围。不能只凭焦距有没有变化，就把两者当成同一种操作。

变倍过程中，在设计条件下仍能保持选定物平面合焦，称为齐焦（Parfocal）。非齐焦可变焦距镜头（Varifocal）则需要在设定焦距后重新对焦。未确认齐焦性能时，应先设好取景范围，再检查并完成对焦。

实际装调，先确认移动了谁

把三种操作放在一起，更容易判断公式中的量为什么变化。

接圈是一个直观的装调例子：在镜头与相机之间加入不含光学元件的延长接圈，会增大镜头与传感器的距离，使可合焦范围移向近处。它同时改变可用距离范围，通常会失去无限远合焦能力，超出原有优化范围时还可能影响成像质量。

计算时也要认清距离的起点。设备规格中的工作距离通常从镜头前端计量，不能直接当作从主面计量的精确物距；实际装配尺寸应以镜头规格或实测为准。

“调的是焦距还是像距"的答案，最终取决于调焦结构。整体调焦可用像距变化解释，内对焦还可能牵动有效焦距；而移动整台相机或物体，是通过改变物距来满足同一套成像关系。

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